江蘇地區(qū)基于太陽能+熱泵的采暖系統(tǒng)研究

夏如杰,相里梅琴,張麗娟

(江蘇建筑職業(yè)技術學院, 江蘇 徐州 221116)

1 概 述

伴隨著我國經(jīng)濟、社會和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展,人民的生活水平不斷提高,導致我國建筑業(yè)和房地產(chǎn)規(guī)模急劇增加。隨著建筑面積的不斷增加,勢必造成對建筑與自然、資源、環(huán)境的矛盾不斷升級。為此,發(fā)展零能耗建筑已逐步被決策者和設計師普遍關注[1]。江蘇作為中國經(jīng)濟高速發(fā)展地區(qū),且隨著該地區(qū)對冬季采暖需求的呼聲日益高漲,勢必會增加該地區(qū)的建筑能耗。實現(xiàn)零能耗建筑主要通過三種途徑：1)被動式節(jié)能；2)主動式節(jié)能；3)選用房屋能源系統(tǒng)遠程監(jiān)控和智能集成管理等技術,實現(xiàn)各種節(jié)能技術的優(yōu)化運行,達到節(jié)能技術效果的最大化[2]。太陽能資源作為一種可再生能源,不會對環(huán)境造成危害,熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)電采暖相比較,具有更高的能量利用系數(shù),對于兩者的集合與應用勢必為該地區(qū)零能耗建筑的實現(xiàn)提供有力保障。本文將對太陽能+熱泵系統(tǒng)采暖與傳統(tǒng)電采暖、空氣源熱泵采暖進行比較分析。

2 建筑基礎模型建立

零能耗住宅是一種節(jié)能型住宅,縱觀國內(nèi)外已有的零能耗居住建筑實踐工程,零能耗住宅大多數(shù)以3層及3層以下的獨立式居住建筑居多。根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2009》中對“零能耗建筑”和太陽能光伏系統(tǒng)的預測分析中指出,由于居住建筑可接收到的太陽能以及目前太陽能利用的科學技術背景下,在中國只有2層及2層以下的居住建筑才有實現(xiàn)“零能耗”的可能。因此，本文選取一棟位于南京的2層別墅作為模擬對象。別墅建筑平面見圖1,該棟建筑物建筑面積為284.6 m2。圍護結(jié)構(gòu)做法為：外墻,240 mm磚墻+加氣混凝土,K=0.79 W/m2·K；屋面,20 mm水泥砂漿+120 mm現(xiàn)澆板+20 mm水泥砂漿+100 mm憎水珍珠巖+30 mm水泥焦渣+4 mm防水層+20 mm水泥砂漿,K=0.56 W/m2·K；分戶墻：200 mm加氣混凝土+20 mm水泥砂漿,K=1.01 W/m2·K,窗戶：K=2.5 W/m2·K。通過Dest-h軟件模擬該棟建筑的冷熱負荷,在進行模擬計算時,根據(jù)相關研究,室內(nèi)擾量(人員、燈光、設備)對建筑采暖空調(diào)的影響也不應該進行忽略[3-4],本文的室內(nèi)逐時室內(nèi)擾量值按照文獻[4]中的結(jié)論進行設定。 同時,將室內(nèi)設計溫度設定為：冬季20℃,考慮室內(nèi)空氣品質(zhì),將冬夏季的換氣次數(shù)均設置為1.0次/h。

圖1 建筑模型平面圖

通過Dest-h模擬得出該棟建筑物供暖季熱負荷為9 534.4 kW·h(按照供暖季：12月1日至次年2月28日統(tǒng)計)。

3 太陽能+熱泵系統(tǒng)組成及控制策略

太陽能+熱泵供暖系統(tǒng)主要由太陽能集熱裝置、熱泵、熱水箱、循環(huán)水泵等構(gòu)成,具體系統(tǒng)原理圖見圖2。

該系統(tǒng)冬季供熱時,以太陽能為主要熱源,結(jié)合熱泵,同時利用電加熱作為輔助熱源實現(xiàn)穩(wěn)定供熱。鑒于江蘇地區(qū)并不是太陽能豐富地區(qū),加之太陽能能源本身特點,導致太陽能不能連續(xù)、穩(wěn)定向系統(tǒng)提供能量,這就對自動控制的要求提出了更高的要求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,必須依靠不同供熱模式的準確切換。本系統(tǒng)設置的電池閥和溫度控制閥等閥門能夠保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖2 太陽能+熱泵系統(tǒng)原理圖

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理,冬季對建筑物進行供暖時,則按照下列三種模式進行運行：1)太陽能直接供熱模式：當太陽能提供的熱水溫度較高時,能夠滿足經(jīng)換熱設備換熱對末端設備的供暖溫度時,關閉熱泵機組與輔助熱源,全部依靠太陽能集熱裝置向建筑物進行供暖；2)太陽能聯(lián)合熱泵供熱模式：若太陽能提供的熱水溫度經(jīng)過換熱設備換熱后,不能滿足末端供暖設備要求的溫度,但能夠滿足熱泵機組低源側(cè)進水溫度時,開啟熱泵機組,此時太陽能集熱裝置提供的熱水相當于提高熱泵機組的蒸發(fā)溫度,提高熱泵的供熱系數(shù),實現(xiàn)對能源消耗的減少；3)輔助熱源供熱模式：太陽能集熱器提供的熱水低于熱泵機組要求的最低進水溫度時,開啟輔助熱源[5]。

4 模擬與分析

4.1 計算模型建立

本文選擇Trnsys(Transient System Simulation Program),即瞬時系統(tǒng)模擬程序?qū)ο到y(tǒng)進行模擬分析。Trnsys軟件最大的特點就是在于其模塊化的分析方式,對特定模塊給定輸入條件,便能對某種特定熱傳輸現(xiàn)象進行模擬,最后通過多個模塊的匯總實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的瞬時模擬分析。

根據(jù)系統(tǒng)組成、工作原理與控制策略,建立了如圖3的太陽能+熱泵系統(tǒng)的計算模型。

模擬建立完畢后,需要對模型中的主要設備——太陽能集熱器、熱泵的參數(shù)及系統(tǒng)運行時間進行輸入。

圖3 太陽能+熱泵系統(tǒng)計算模型

本研究采用具有熱性能好、安全性強、便于安裝等優(yōu)點的平板型集熱器,依據(jù)規(guī)范《太陽能供熱采暖工程技術標準(GB 50495—2009)》中的公式5.2.2-1,根據(jù)Dest-h的模擬結(jié)果可知,Qh=12 807 W。南京地區(qū)為太陽能資源一般區(qū),取太陽能保證率f=30%,南京地區(qū)集熱器采光面上的平均日太陽輻射量JT=12 898 kJ/(m2·d),取ηcd=0.4,ηL=0.1,計算出太陽能集熱器面積AC=71.5 m2?？紤]水源熱泵的設計容量應滿足建筑采暖負荷的需求,模型中的熱泵性能參數(shù)為：額定制熱量為14.1 kW,制熱功率為3.5 kW,性能系數(shù)為4.11的水環(huán)式熱泵機組。根據(jù)太陽能集熱器采光面積與集熱系統(tǒng)可利用溫差,貯熱水箱的容積設定為200 L。

4.2 結(jié)果統(tǒng)計與分析

通過Trnsys軟件模擬,對數(shù)據(jù)按如下要求進行分析：供熱季為12月1日至次年的2月28日,電價為0.52元/kW·h,電采暖效率為0.95進行計算分析。得出太陽能+熱泵供暖系統(tǒng)、空氣源熱泵和電采暖系統(tǒng)在供暖季中,不同系統(tǒng)的耗能量,以及不同系統(tǒng)在運行過程,循環(huán)水泵消耗的電量。三種采暖模式比較見表1。

表1 三種采暖模式比較

通過比較可以發(fā)現(xiàn)太陽能+熱泵的采暖系統(tǒng)能夠大大提高對能量的利用率,整個系統(tǒng)在供暖季中的供熱效率達到了4.5,相較于傳統(tǒng)的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)2.8,提高了60.7%。而電采暖系統(tǒng)則是利用高品位的電能進行采暖,故不建議采用電能進行采暖。

太陽能+熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空氣源熱泵比較而言,由于系統(tǒng)更加復雜,增加了太陽能集熱裝置,集熱水泵的增加,導致系統(tǒng)的循環(huán)水泵的耗電量增加。但由于集熱裝置的存在,將熱泵的供熱效率大大提高了,所以，總體來說,對于能源的利用是更高效的。

按照電價進行計算,三種采暖系統(tǒng)的運行費用分別為：1 187.4元、1 843.1元、5 256.6元,太陽能+熱泵系統(tǒng)的運行費用最低,相較于空氣源熱泵節(jié)省了35.6%。

除了需要考慮系統(tǒng)的運行費用外,還需要對系統(tǒng)的全生命周期的經(jīng)濟性進行分析,費用年值法是目前動態(tài)評價方法中最常用的方法,根據(jù)系統(tǒng)模型與目前市場行情,按照機組費用15 000元,集熱器8 000元,水箱1 200元,戶內(nèi)地板輻射系統(tǒng)31 350元,循環(huán)水泵(3個)900元,換熱器2 000元進行初投資費用計算,得出單位面積初投資費用為205.1元/m2。根據(jù)模擬結(jié)果,可知該系統(tǒng)的年運行單位面積的電費為4.17元/m2,若按照系統(tǒng)維修費率為1.5%計算,則年運行費用=205.1×1.5%+4.17=7.25元/m2。按照水源熱泵及太陽能集熱器的使用年限,以及系統(tǒng)綜合使用年限15年進行計算,可算出本系統(tǒng)的費用年值為34.2元/m2。根據(jù)相關文獻,目前常用的供暖系統(tǒng)方案中,不同采暖方式的年費用值為：集中供熱的末端地板輻射供暖為23.72元/m2，電加熱普通暖氣片供暖為37.15元/m2。由此可見，本系統(tǒng)的采暖模式低于電加熱普通暖氣片供暖,高于集中供暖末端地板輻射采暖方式,但由于國家能源戰(zhàn)略要求,夏熱冬冷地區(qū)不建議采用集中供暖的模式,故該系統(tǒng)適宜于該地區(qū)的冬季住宅采暖,經(jīng)濟性較好。

5 結(jié) 語

綜上所述,太陽能+熱泵系統(tǒng)相較于空氣源熱泵、電采暖系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了對能量更高效的應用。而與此同時,達到相同的供暖效果,太陽能+熱泵系統(tǒng)所需要的能量也是最少的,雖然從經(jīng)濟性分析比較中得出,該系統(tǒng)采暖模式并非最優(yōu),但結(jié)合國家的能源戰(zhàn)略,該系統(tǒng)還是能夠適用于該地區(qū)冬季的采暖需求的,為該地區(qū)零能耗住宅建筑的實現(xiàn)提供有力保障。